CLR 异步函数

异步函数允许线程池在多个CPU内核上调度任务，使多个线程能并发工作，从而高效率的使用系统资源，同时提升应用程序的吞吐能力。

首先来看一下同步执行IO的情况

 如上图，程序通过构造一个FileStream对象来打开磁盘文件，然后调用Read方法从文件中读取数据，

在调用Read方法时，线程从托管代码转变为本机/用户模式代码，Read内部调用WIn32ReadFile函数（①）。Read分配一个称为IO请求包（IO Request Packet,IRP）（②）的数据结构,

然后ReadFile将线程从本机/用户模式代码转变为本机内核代码，并向内核传递IRP数据结构，从而调用Windows内核（③）

Window将IRP传递给对应的设备驱动程序的IRP队列（④），然后设备执行请求的IO操作（⑤）

在硬件执行IO操作期间，发出IO请求的线程将无事可做，Windows会将线程编程睡眠状态，防止浪费CPU时间（⑥）（但它仍然浪费了内存空间，因为它的用户栈、内核模式栈、线程环境块和其他数据结构都还在内存中）

最终，硬件设备完成IO操作，Windows唤醒线程并调度给一个CPU，使它从内核模式返回用户模式，再返回至托管代码（⑦，⑧和⑨），FileStream的Read方法返回一个Int32，指明从文件中读取的实际字节数。

下面讨论一下Windows如何执行异步IO操作，见下图：

 如上图，和同步IO示意图相比，构造函数增加传递了一个FIleOptions.Asynchronous标志，告诉Windows希望文件的读写操作以异步方式执行。

在调用ReadAsync方法读取数据时，函数内部会分配一个Task<Int32>对象来代表用于完成读取操作的代码，

然后ReadAsaync方法调用Win32 ReadFile函数（①），ReadFIle分配IRP，同前面一样初始化它（②），然后传递给Windows内核（③）Windows把IRP添加到硬盘驱动程序的IRP队列中（④），但此时线程不再阻塞，而是允许返回至代码，所以线程立即从ReadAsync调用中返回（⑤，⑥和⑦），此时，IRP可能尚未处理好，所以不能在ReadAsync之后的代码中访问传递的Byte[]中的字节。

硬件设备处理好IRP后（a），会将完成的IRP放到CLR的线程池队列中（b）。将来某个时刻，某个线程池线程会提取完成的IRP并执行完成任务的代码，

最终，要么设置异常（如果发生错误），要么返回结果（c），这样，Task对象就知道操作什么时候完成，代码可以开始运行并安全访问Byte[]重点额数据。

可以发现，使用异步函数编程，有以下优点：

1.减少系统资源的使用

2.减少线程上下文的切换

3.提高GC的速度

4.GUI程序中，使用户界面不会被挂起

 同时，异步函数存在以下限制：

1. 不能将应用程序的Main方法转变成异步函数，另外，构造器、属性访问器方法和事件访问器方法不能转变成异步函数
2. 异步函数不能使用任何out或ref参数
3. 不能在catch，finally或者unsafe块中使用await操作符
4. 不能在await操作符之前获得一个支持线程所有权或递归的锁，并在await操作符之后释放它。
5. 在查询表达式中，await操作符只能在初始from子句的第一个集合表达式中使用，或者在join子句的集合表达式中使用。

在C#中，异步函数通过async和await关键字来标识，某个方法一旦被标识为async，编译器就会将方法的代码转换成实现了状态机的一个类型。

编译器如何将异步函数转换成状态机并实现异步调用：

首先编译器会创建状态机实例并初始化它，状态机的初始状态为-1；然后开始执行状态机，并返回状态机的Task。

在状态机的内部，状态机通过操作数来选定执行路径，在初始状态-1，使用await操作符，将会调用方法的GetAwaiter方法，获取对象的awaiter（等待者），正是它将被等待的对象与状态机粘合起来；

状态机获得awaiter后会查询其IsCompleted属性，

• 如果操作已经以同步方式完成，属性将返回true，然后状态机继续执行并调用awaiter.GetResult方法，该方法要么抛出异常（操作失败），要么返回结果（操作成功）。
• 如果操作以异步方式完成，属性返回false，状态机调用awaiter的OnCompleted方法并传递一个委托（引用状态机的MoveNext方法）。现在状态机允许它的线程回到原地以执行其他代码。将来某个时候，封装了底层任务的awaiter会在完成时调用委托继续执行MoveNext，从它当初离开的位置继续执行，这时，代码调用awaiter的GetResult方法，继续处理后续逻辑。

异步函数的返回类型一般为Task或Task<Result>，他们代表着函数的状态机完成，但是异步函数使可以返回void的（除特殊情况外不推荐），这种特殊情况是在返回void的事件处理方法中执行IO操作，编译器会返回void的异步函数创建状态机，但不再创建Task对象。所以无法得知void的异步函数状态机在什么时候运行完毕。

FileStream特有的问题

创建FileStream对象时，可通过FileOptions.Asynchronous标志指定以同步还是异步方式进行通信。

如果不指定这个标志，Windows将以同步方式执行所有文件操作，即使调用ReadAsync方法，操作表面上异步执行，但FileStream类是在内部用另一个线程模拟异步行为（这个额外线程纯属浪费，而且影响性能）。

但如果指定这个标志，使用Read方法执行一个同步操作，在FileStream内部，仍会开始一个异步操作，然后立即使调用线程进入睡眠状态，直到操作完成被唤醒，从而模拟同步行为。

所以，在使用FileStream时，要先想好是同步还是异步执行IO，并通过FileOptions.Asynchronous来标识自己的选择。如果选择异步，则调用ReadAsync，如果选择同步则使用Read，这样可以获得最佳的性能。